Комбинирование методов механической обработки сталей

Одним из важных направлений современного материаловедения, наряду с созданием новых материалов, является улучшение служебных свойств существующих материалов. Для этих целей применяются различные методы. Широкое применение получили методы термопластической обработки [1-5 и др.]. В работе [6] рассмотрены свойства стали, претерпевшей термическую обработку, и описываются особенности влияния холодной и горячей деформации на величину зерна. В работе [7], в которой использованы традиционные методы термопластической обработки, показано, что наиболее благоприятное влияние на механические свойства стали Ст3 оказывает механико-термическая обработка (МТО) по режиму: пластическая деформация растяжением на 6% при температуре 773 К с последующей выдержкой при этой температуре в течение 20 ч. В последнее время перспективные позиции завоевывают методы интенсивной пластической деформации (ИПД), в том числе равноканальное угловое прессование (РКУП) [8, 9]. Для более эффективного управления структурой материала, а значит и его свойствами, перспективно сочетание различных методов. Представляет интерес комбинация различных методов ИПД, что может привести к более эффективному измельчению структуры, улучшению технологических и физико-механических свойств материалов.

Цель работы: исследование одного из вариантов комбинации способов ИПД – ковки и РКУП для повышения прочности сталей.

Материал и методика исследования . Исследована конструкционная низколегированная сталь 09Г2С (0,12% C; 0,5-0,8% Si; 0,3% Cr; 1,3-1,7% Mn; 0,3% Ni; 0,3% Cu, остальное Fe). Химический анализ проведен на атомно-эмиссионном спектрометре «Foundry-Master» фирмы «Worldwide Analytical Systems AG (WAS AG)». Сталь 09Г2С имеет ферритноперлитную структуру со средним размером зерна 18,5 мкм.

Цилиндрические заготовки из стали подвергали ковке и последующему РКУ-прессованию. В наших экспериментах осуществлялось трехкратное повторение последовательности операций свободной ковки – осадки и протяжки со сменой оси прилагаемого деформирующего усилия. Предварительно нагретая в муфельной печи Nabertherm заготовка 0 20 x 60 мм подвергалась всесторонней свободной ковке с помощью пневматического молота. Температуру заготовки при ковке контролировали с помощью инфракрасного термометра модели DT-8859, у которого диапазон измеряемой температуры 223-1873 К, разрешение 0,1 градуса, спектральная чувствительность 8 ~ 14 мкм. РКУП заготовок выполняли в технологической оснастке с углом пересечения каналов 120 ° на базе гидравлического пресса «ПСУ 125» типа 3ИМ с максимальным усилием 1250 кН. Режимы обработки стали 09Г2С следующие:

• 1)    ковка в три цикла с нагревом в течение 1 часа с варьированием температуры начала ковки (1173/1023 К и 1273/1023 К) и скоростью охлаждения заготовки (охлаждение в масле или выдержка в теплой золе с остыванием на воздухе);

• 2)    РКУП по маршруту В С (поворот заготовки относительно её продольной оси перед

каждым последующим циклом прессования на угол 90°) в 4 прохода при температуре 673 К с остыванием заготовки на воздухе или в воде после прессования. Накопленная при ковке деформация при коэффициенте трения µ> 0 составила 2,25. Степень деформации заготовки при РКУП за 4 прохода составила ε 4 =2,67.

Механические свойства исследовали при растяжении образцов на испытательной машине Instron-1195 при постоянной скорости нагружения, равной ≈ 3,33 ⋅ 10^–5 м ⋅ с^–1.

Рис. 1. Диаграмма деформирования растяжением стали 09Г2С в различных состояниях:

1 – состояние поставки; 2 – ковка в 3 цикла при 1173/1023 К с охлаждением в масле + РКУП по маршруту ВС в n=4 прохода при 673 К с остыванием на воздухе; 3 – при тех же режимах ковки и РКУП, но при температуре ковки 1273/1023 К

Результаты исследований и их обсуждение . Кривая растяжения образцов из стали 09Г2С в состоянии поставки имеет классический вид графика с площадкой текучести (рис. 1). Для упрочненной стали значительная доля удлинения образца приходится на упругую стадию. Упрочнение стали ковкой и РКУП приводит к образованию высокого зуба текучести (кривые 2 и 3 на рис. 1). Как известно, возможность возникновения резкой текучести материала с малой исходной плотностью подвижных дислокаций в начале пластического течения описывается теорией Гана. Более высокий зуб текучести в случае режима 3 (см. таблицу 1) соответствует большей плотности дислокаций в образце.

После ковки и РКУП стали 09Г2С происходит заметное уменьшение размеров зерен, возрастает плотность дислокаций, что влияет на повышение прочностных показателей. В результате ковки и РКУП прочность стали 09Г2С повышается (таблица 1). Наряду с повышением предела прочности происходит повышение предела текучести, который после комбинированной обработки становится сравнимым с пределом прочности.

Таблица 1. Механические характеристики стали 09Г2С в различных состояниях

Как видно из таблицы, ковка в 3 цикла с охлаждением в масле приводит к некоторому повышению прочности и снижению пластичности. Ковка при тех же режимах, но дополнительным упрочнением РКУП в 4 прохода по маршруту ВС при температуре 673 К обеспечивает существенное повышение прочностных характеристик стали 09Г2С (в 3 раза по пределу текучести и в 2,4 раза по пределу прочности по сравнению с состоянием поставки материа- ла), но с существенным падением пластичности (в 2,4 раза). Изменение режима охлаждения как после ковки, так и после РКУП влияют на прочность и пластичность стали 09Г2С. Например, при одинаковом режиме РКУП предел прочности в случае охлаждения заготовки в масле после ковки на 165 МПа (на 15%) выше, чем в случае выдержки в теплой золе с остыванием на воздухе, а остаточное удлинение на 3,5% (см. пп. 3 и 5). Повышение температуры начала ковки на 100 градусов при тех же режимах РКУП понижает прочностные характеристики на 20-70 МПа, что составляет около 2-6% от предела прочности в случае температуры начала ковки в 1173 К (см. пп. 3 и 7, 4 и 8). Это связано со снижением плотности дислокаций. В обоих случаях пластичность снижается на 9-17%. Более лучшие результаты по характеристикам прочности и пластичности получились по режиму 3 (ковка в 3 цикла, 1173/1023 К, охлаждение в масле + РКУП (ВС, n = 4, 673 К), остывание на воздухе).

Выводы: результаты исследований показывают, что варьированием режимов ковки и РКУП можно регулировать состояние и механические свойства низколегированной стали 09Г2С. При рассмотренных случаях обработки наилучшие показатели по прочности и пластичности достигнуты при следующем режиме: 1) ковка в 3 цикла с началом цикла ковки при 1173 К и его завершением при 1023 К, и с последующим охлаждением в масле; 2) РКУП в n=4 прохода по маршруту ВС при температуре 673 К с последующим остыванием заготовки на воздухе. Таким образом, определенное сочетание различных методов интенсивной пластической деформации позволяет существенно повысить прочность сталей.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта № III.20.3.3 Программы № III.20.3 СО РАН.